华南师范大学材料科学与工程教程第七章扩散与固态相变(三).ppt

马氏体转变的发展过程 早在战国时代人们已经知道可以用淬火(即将钢加热到高温后淬入水或油中急冷) 的方法可以提高钢的硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。 十九世纪未期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的变化。为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的德国冶金学家Adolph Martens，法国著名的冶金学家Osmond建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏体”，并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。 Martensite M—马氏体 马氏体相变 第七章 扩散与固态相变（三） 四、几个特殊的有关扩散的实际问题 1、离子晶体的扩散 （1）空位扩散中的“空位” 金属——肖特基空位 离子晶体——肖特基空位与弗伦克尔空位（与晶体结构有关） 如：ZnS型为弗伦克尔缺陷，NaCl为肖特基型 离子结构类型决定空位类型 结构不太紧密、正负离子半径差别大、配位数较小 （例如：Ⅱ-Ⅵ族半导体，银的卤化物） 小尺寸的正离子容易进入晶格间隙，形成弗伦克尔缺陷 缺陷表现：间隙离子-空位对，且通常为阳离子-空位对！ 结构紧密，配位数较高，正负离子差距较小 阳离子尺寸较大，难以进入晶格间隙，形成肖特基缺陷 缺陷表现：空位-空位对，注意缺陷对的电中性！ 例如：Ag+-VAg+ 例如：1VCl—1V Na+ 1V Mg2+ ——2VCl- 扩散机制 肖特基缺陷类型离子晶体： 类似于金属中的空位扩散机制 弗伦克尔缺陷类型离子晶体： 自间隙机制 先产生间隙式阳离子，使邻近的处于正常点阵位置的阳离子移位，然后挤入间隙。 金属中间隙原子的扩散一直是在正常的间隙空位中跳动 离子晶体中正负离子对的扩散速率不同 正离子尺寸较小，容易运动； 2、烧结 在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。 烧结过程：将压实的粉末加热到高温，在烧结初期，相互接触的颗粒开始逐渐形成颈的连接，然后颗粒间距缩短。 烧结涉及的扩散问题 初期阶段： 原子沿颗粒表面扩散到颈部区域，与过剩的空位交换位置； （表面扩散） 中期阶段： 初期阶段可使颈部区域长大到颗粒横截面积的20%，此时每个颗粒的空隙间小为由节点连接的网络通道。 伴随着密度的显著增加，细孔网络的空位大量扩散到烧结材料的体内。 后期阶段： 细孔通道转变为晶界，通过晶界扩散，变成致密的烧结体，在晶界上会残存一些孤立的小孔；同时也会伴随晶粒的长大 （晶界扩散 体扩散） 烧结速率问题 ① 粉末材料的颗粒度 达到一定紧密度的烧结时间与颗粒尺寸的三次方成正比 ② 原子的扩散速率（决定于温度） ρ-烧结体密度；a-颗粒尺寸； C和n为常数；Q为烧结的激活能，常以晶界扩散激活能代替 颗粒越细，表面积越大，扩散距离越小，烧结速率越快 3、纳米晶体材料的扩散 晶粒尺寸小到纳米级时，表面原子所占体积分数增加，晶界扩散占据优势！ 纳米晶的界面扩散激活能与多晶相比低很多，与表面扩散激活能相近。 纳米晶的界面扩散可能与表面扩散的机制相似，而普通多晶中的晶界扩散一般认为是通过空位机制进行的。 纳米晶的扩散系数极高，扩散距离很短，在相同条件下与普通固体材料相比有很高的溶解度。 例如：Bi在8纳米的纳米晶Cu中的溶解度约为普通多晶铜溶解度的1000-10000倍 五、固态相变中的形核 1、固相的相界面 固态相变形成的新相与母相的相界面有三种不同的类型 共格界面 半共格界面 非共格界面 参数错配度： 为定量表述弹性应变能引入的参数 界面能 固-固两相界面能高，一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结合强度和数量变化引起的化学能，另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能。 位向关系 固态相变时，为了降低新相与母相之间的界面能，新相的某些低指数晶向与母相的某些低指数晶向平行。 惯习面 固态相变时，为了降低界面能和维持共格关系，新相往往在母相的一定晶面上开始形成。这个与所生成新相的主平面或主轴平行的母相晶面称为惯习面。 晶体缺陷 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定的影响。 应变能 弹性应变能 相界面原子排列的差异引起 新相形成时的体积变化 新相的几何形状对应变能相对值的影响 新相的几何形态与应变能有关。在新相与母相不共格的情况下，若两相的比容差固定，设新相为椭球体，长轴为a，短轴为c，则新相形态如下图所示： 当c/a=1时，新相为球状；当c/a1时，新相为碟(盘)状；当c/